高温应变测量技术

1、旋转叶片振动检测方法1 应变片法将电阻应变片牢固地粘贴在叶片应力较大处，例如叶根附近位置，通过测量应变反映叶片振动及应力大小，从而确定叶片的寿命和可靠性。属于接触式测量，对应变片安装、信号线引出提出了特殊要求。只能同时监测少数叶片，实际转子中叶片数量极大，少则几百片，多则上千片，为所有叶片都安装应变片难以实现。1.1 应变片(Strain Gauge)1.2 滑环式引电器(Slip Ring)应变片粘贴于叶片表面，从应变片引出的导线沿着叶轮表面接入到一个专门的集流器/引电器装置中。将采集到的信号经集流装置后，由电子放大器放大，送往记录装置做数据记录和处理，其测量结果一般也作为其他方法测试结果精

2、度的比较标准。 局限性：同一个时间内，被测量的叶片数有限，转子实验准备复杂，也不能同时测量整级叶片的振动情况。该方法准备工作量大，传感器，集流环的可靠性低，不适应现场的实际测量。 1.3 遥测技术将叶片的振动信号利用应变片转换成相应的电阻值，通过相应的硬件系统，将电阻变化转换成电信号的变化，通过无线调制器，把电信号调制发射出来。我们在叶片附近安装静止的天线加以接收，送至调频接收机放大和解调还原为应变片频率信号，并送至分析仪分析处理。1.4 对称恒流激励技术动态应变测量技术最难解决的是抗干扰问题，原因是动态应变测量的工作片在工作环境下处于非屏蔽状态，对各种干扰源比较敏感，因此设计应变测量电路时必

3、须考虑解决抗干扰问题。对称恒定电流激励技术使用一对匹配的电流源激励应变片，使用一个差分放大器测量应变片电压，如上图所示。导线电阻对传递到应变片上的激励电流没影响，任何温度下不会降低应变计灵敏度；信号调理器测量的是应变信号，无需增加通道增益；信号调理器内外连接完全对称，信噪比改善约30dB。1.6 薄膜应变计薄膜应变计采用真空沉积或溅射的方法把敏感薄膜直接沉积到被测结构件表面，不需要要粘贴胶固定，避免了粘贴胶在恶劣环境下失效对应变测试的影响。与传统丝式和箔式应变计相比，薄膜应变计厚度在微米量级，测试准确度高、响应速度快、灵敏度高。选择合适的敏感材料和制备工艺制备的薄膜应变计，具有抗高温、高压、气

4、流冲刷等优点，可以满足航空发动机涡轮叶片在恶劣环境下应变测试的要求，而且薄膜应变计实现了结构、功能的一体化，不会影响涡轮叶片的力学性能和流体特性，所得测试数据精确度高且稳定性好。在氮化硅涡轮叶片表面制备的PdCr薄膜应变计TaN/PdCr多功能薄膜传感器实物图属于接触式测量方法，将光纤光栅粘贴在叶片表面，类似应变片法，叶片应力、应变等物理量的变化引起光栅产生波长位移，从而获取相关信息。1.7 光纤光栅应变计参考文献1 吕文林，航空发动机强度计算，北京：国防工业出版社，1988：58-92.2 方志强，涡轮机叶片振动非接触检测原理及应用技术研究：博士学位论文，天津；天津大学，2007. 3 欧阳

5、涛，基于叶尖定时的旋转叶片振动检测及参数辨识技术：博士学位论文，天津；天津大学，2011. 4 王仲博，张永宁，袁平等，660 毫米叶片振动特性测试与分析，热力发电，1994, 6: 36-405 沈凤霞，对称恒定电流激励动态应变测量技术的分析与应用研究，航天器环境工程，2007, 24(6): 381-385 6 H. P. Grant, J. S. Przybyzewski, W. L. Anderson, et al. Thin Film Strain Gauge Development Program, NASA /CR, 1983-174707 7 J. D. Wrbanek, G.

6、 C. Fralick. Developing Multilayer Thin Film Strain Sensors With High Thermal Stability. NASA/TM, 2006-214389 2 频率调制法根据电磁感应原理利用调频栅对振动信号进行频率调制的测量方法。局限性：1、在叶尖嵌入磁钢，改变了叶片原有的振动特性；2、为了同时测量多个叶片的振动，要求安装相同数目的线栅。参考文献1 .萨勃洛斯基等著，吴士祥，郑叔琛（译），涡轮机叶片振动的非接触测量，北京：国防工业出版社，1986：5-29. 3 激光多普勒法由激光测速技术发展而来的，其原理在于探测从振动叶片表面散

7、射回来的反射光的多普勒频移，从而得到叶片振动参数。LDV：激光多普勒振动计 局限性：1、光路安装调试复杂，不适合现场环境；2、要求被测转子转速不宜过高；3、叶片表面粗糙度引起斑点噪声；4、轴系振动影响激光对准效果参考文献1 Kulczyk W.K, Q.V. Davis, Laser Doppler instrument for measurement of vibration of moving turbine blade, Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1973, 120(9). 2 İbrahim Ata

8、SEVE, Experimental validation of turbo-machinery blade vibration predictions: Doctors Thesis, London; Department of Mechanical Engineering Imperial College London, 2004. 3 A.J. Oberholster, P.S. Heyns, Online condition monitoring of axial-flow turbo-machinery blades using rotor-axial Eulerian laser

9、Doppler vibrometry, Mechanical Systems and Signal Processing, 2009, 23: 1634-1643. 4 吕宏诗，刘彬，激光多普勒测振技术的最新进展，激光技术，2005，29(2): 176-179. 4 声响应法通过安装在汽缸内部的声信号传感器捕获叶片振动时发出的声信号，对声信号进行分析处理，可得到叶片振动信息。局限性：实际旋转机械环境是一个具复杂的又具有宽频率范围的声场，背景噪声将对信号造成严重干扰。参考文献1 Robert L.L, Keith T, Monitoring Systems for Steam Turbine

10、Blade Faults, Sound and Vibration, 1990. 2 韩敬宇，基于声发射技术的风电叶片裂纹无线监测系统研究：硕士学位论文，北京；北京化工大学，2010. 3 杨海燕，刘启洲，叶片裂纹故障的多普勒在线监测技术仿真研究，航空动力学报，1999，14（1）：69-73. 5 叶尖定时法(Blade Tip-Timing)在叶片顶端的机匣上安装叶尖定时传感器，利用传感器感受叶片的到来时间，由于叶片振动，叶片的到来时间会超前或滞后，通过不同的叶尖定时处理算法对该时间序列进行处理，即获取出叶片振动信息。5.1 光纤式叶尖定时传感器将激光投射到叶片端面，通过感受叶尖反射回来的

11、光强信号变化来获取叶片的到来时刻。普通石英光纤耐200300，美国Fiberguide公司推出的“金属涂层 ”系列光纤大大提高了耐温性能，其中镀金光纤可耐 650，外加制冷系统或采用蓝宝石光纤，可耐1000以上。5.1 光纤式叶尖定时传感器主要研制和生产公司有美国 HOOD 和 AGILIS 公司。该传感器不能在有污染的条件下使用，需保持传感器测头端面清洁。5.2 电容式叶尖定时传感器根据传感器芯极与叶片端面间形成的电容变化获取叶片的到来时刻。电容式叶尖定时传感器整体结构示意图 电容传感器测头法国 FOGLE 和THERMOCOAX 公司研制的电容传感器耐温高达 1400。国内主要是中航工业集

12、团和天津大学等在这方面展开研究。局限性：其信噪比、响应时间相比光纤式的要差一些；叶片工作环境的介质可能影响芯极与叶端电容的大小，因此要求被测旋转叶片环境介质的介电常数基本稳定。5.2 电容式叶尖定时传感器5.3 电涡流式叶尖定时传感器利用电磁感应现象，当导磁性金属处于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，导磁性金属体内都会产生感应电动势，形成电涡流。被动式：由一个永磁体和一个线圈组成，如上图 所示，叶片经过传感器端头时，导致通过线圈的磁通量变化，产生电信号，从而反映叶片的到来时刻。主动式：由一个或多个线圈组成，通过外界激励对线圈产生一个磁场，并通过线圈感受叶片到来时电涡流引起的电动势变化。信号大且

13、信噪比高，结构简单，可以不用外界电源，但要求被测叶片必须是导磁材料。英国的 QinetiQ、MONITRAN 公司、德国的MTU公司以及美国的 HOOD 公司都对电涡流式叶尖定时传感器做了大量研究，并研制出产品如上图所示产品。其中 HOOD 公司生产的普通电涡流传感器耐温 260，带空冷装置的电涡流传感器能耐温可到 1000以上。5.3 电涡流式叶尖定时传感器参考文献1 FOGALE Nanotech, Capacitive blade tip clearance & tip timing measurement system, . 2 THERMOCOAX, Capacitance

14、sensors for noncontact measurement, . 3 HOOD Technology, Overview of blade vibration monitoring capabilities, , 2010. 4 Craig Lawson, Paul C. Ivey, Turbomachinery blade vibration amplitude measurement through tip timing with capacitance tip clearance probes, Sensors and Actuators, 2005, A118: 14-24.

15、 5 Craig Lawson, Dr. Paul Ivey, Compressor Blade Tip Timing Using Capacitance Tip Clearance Probes, Proceedings of the ASME Turbo Expo, GT2003-38284: 1-8. 6 Michael Zielinski, Gerhard Ziller, Noncontact blade vibration measurement system for aero engine application, ISABE-2005-1220: 1-9. 7 Michael Z

16、ielinski, Gerhard Ziller, Noncontact vibration measurements on compressor rotor blades, Measurement Science & Technology, 2000, 11(7): 847856. 8 M. Gloger, M. Jung, H. Termuehlen, H. Wolf, Blade Vibration System for Power Plant Operation, IJPG Conference, Minneapolis, 1995,9-11. 9 Kam Chana, Don

17、ald Lyon, Turbo-Machinery Tip-Timing Comes of Age, Maintenance & Asset Management, 2009, 24(1): 34-40. 10 比尔伯切尔，发动机叶尖计时技术新突破，国际航空杂志，2007，3：48-49. 11 王宇华，叶声华，段发阶等，基于光纤技术的叶尖定时传感器，天津大学学报，2002，35(5): 605-610. 12 王宇华，段发阶，叶声华等，旋转叶片振动测量新的技术方案研究，仪表技术与传感器，2002，(2): 44-46. 13 冯军楠，段发阶，叶德超等，一种耐高温光纤式叶尖定时传感器及

18、验证装置，纳米技术与精密工程，2016, 14(3): 167-172.14 顾庆昌，程礼友，张万成耐高温金属衣层光纤及其热应力分析电子工艺技术，2010，31(5): 290-292, 309.6 散斑干涉法在激光照射漫射体产生的散斑场中，引入另一相干光束，或者另一不同的散斑场与之干涉，就会产生新的散斑场。当漫射表面产生位移、形变、振动时，干涉散斑图样随之变化，根据这一原理可测定物体变化的情况。 散斑和参考波干涉：采用右图所示的迈克尔逊干涉仪系统来实现散斑干涉。具体过程：一个反射镜用被测的漫射物体A代替，它受激光照射产生散斑场。另一反射镜保留，它的反射光作为参考波，在与散斑场重叠的区域相干涉

19、，产生新的散斑场。可变光阑D可用来调整散斑的大小。在像平面用底片H记录结果，或直接目视观察。 6 散斑干涉法I是变形前拍的一幅图，I是变形后拍的图片，Id为两幅图相减得到的图片。每个条纹对应着一个波长的变化量，通过数条纹级数大体上得到物体的变形量。起源和发展1966年 Bruch和Ennos在实验中发现散斑具有可测的强度和确定的相位从而为散斑的应用奠定了基础1969年 Leendertz提出散斑相关干涉计量术(SPCI)和剪切散斑干涉术(SSI)1971年 Butters和Leendertz应用光电子器件(摄像机)代替全息干板记录散斑场光强信息，从而在监视器上能观察到散斑干涉条纹，这种方法称为

20、电子散斑干涉法1976年 Lokberg等把全息干涉术中的参考光位相调制技术引入电子散斑，使之能测量振动的位相分布1978年 Jones等利用双波长电子散斑干涉法测量了物体的轮廓 进入八十年代，出现了集成化的电子存储模块，催生了数字电子散斑干涉术(DSPI) 1985年 Hung提出提出了电子错位术的概念1989年 天津大学首次研制成功了电子错位散斑(或称电子剪切散斑)干涉系统(ESS)，随后又开发了DSSPI系统1992年 中国科学技术大学将半导体激光器成功地应用于电子散斑干涉中，并由可切换的双频光栅实现了错位1993年 西安交大研制了光纤电子散斑技术干涉系统典型产品1980年英国Vimen

21、公司首次推出一种电子散斑干涉仪1988年美国激光技术公司首次推出电子错位散斑干涉仪ES-910001990年美国Newpon公司推出HC-4000型的ESPI干涉仪1992年瑞士Vibro-meter公司推出了RETRAIN型电子散斑干涉仪1992年美国激光技术公司又推出了新型的电子散斑错位系统ES-9200, ES9400, ES9120, ES9600及SC-4000便携式电子错位散斑千涉仪6 散斑干涉法6 散斑干涉法德国Dantec Dynamics公司的3D-ESPI System Q-300具有直观性、全场性和精确性等优点，可测到极微小的振幅，频率范围没有限制，一次全息照相可得到整个叶片表面的振幅分布。局限性：1、仅适合于试验室进行；2、需要用其他方法测得叶片的固有频率；3、叶片振幅不宜太大，否则条纹过密而分辨不清；4、不能提供叶片振动相位信息等。美国Laser Technology Inc.的Typical shearography camera systems参考文献1 华东电力试验研究所，江苏电力试验研究所，南京工学院，汽轮机叶片的振动特性和调整，北京：电力工业出版社，1981. 2 J. P. Sikora, F. T. Men